INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE BRASÍLIA - IFB PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E INOVAÇÃO PRPI

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1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE BRASÍLIA - IFB PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E INOVAÇÃO PRPI CONFECÇÃO DE ESPECTRÔMETROS DE BAIXO CUSTO PARA APLICAÇÕES DIDÁTICAS PROPONENTE: PROF. DR. TIAGO DE J. E CASTRO ALUNOS ENVOLVIDOS: AISSA LIMA DE AZEVEDO ANDERSON KENNEDY DA SILVA SOUSA PAULO HENRIQUE DE SOUZA LIMA Campus: Taguatinga Área e subárea do conhecimento de acordo com tabela do CNPq: Ciências Exatas e da Terra Brasília/Março/2017

2 Resumo Neste projeto, propõe-se a confecção de espectrômetros de baixo custo para a aplicação em atividades de ensino de Física. Objetiva-se a construção de dois tipos de dispositivos: um com sistema de aquisição de dados baseado em plataforma Arduino e outro através do emprego de webcam e software livre especializado. A relação custo-benefício entre os dois modelos será avaliada com foco nos diferentes tipos de aplicações. Além disso, estudaremos quais tipos de grades de difração, fontes luminosas, sensores, tipos de porta-amostras produzirão melhores resultados em termos de resolução e intensidade dos sinais. As diferentes configurações entre os componentes do espectrômetro (fonte luminosa, grade de difração, amostra, detector, etc.) também serão avaliadas com foco na eficiência. Com o intuito de desenvolver aplicações didáticas, serão pesquisados materiais comuns com espectros de absorção com características que favoreçam o uso em sala de aula. Por fim, atividades didáticas baseadas no emprego dos espectrômetros serão criadas e o aprendizado dos estudantes submetidos a tais estudos será avaliado. Palavras-chave: espectroscopia, ensino de Física, materiais didáticos de baixo custo.

3 1. Justificativa A confecção de espectrômetros de baixo custo para aplicações didáticas se insere como um dos primeiros projetos de iniciação científica para atuação de estudantes dos cursos de Licenciatura em Física e Tecnologia em Automação Industrial do Campus Taguatinga (IFB). Este projeto nasce de forma a permitir a integração de conhecimentos e pessoas (estudantes, professores, técnicos, etc.) dos dois cursos. Para os estudantes de Física, o domínio de ferramentas tecnológicas relacionadas ao projeto (Arduino, sensores, softwares, etc.) propicia a formação de uma base de conhecimentos que lhes permitirá replicar, aperfeiçoar e criar projetos desta natureza em sua atuação profissional futura. Além disso, sua imersão no mundo da espectroscopia lhes permitirá entender a amplitude desta importante área do conhecimento que congrega físicos, químicos, engenheiros, etc. e é responsável pelo surgimento de boa parte do aparato tecnológico que utilizamos na atualidade. Para os estudantes de Tecnologia em Automação Industrial, o projeto lhes dará oportunidade de confeccionar um dispositivo com aplicações práticas, de forma a integrar sua formação básica (em matemática e física, principalmente) com sua área de atuação. Em relação ao custo, um espectrômetro comercial com sensibilidade à luz visível pode ser adquirido por valores próximos a dois mil dólares (THOR LABS, 2017). Os dispositivos que iremos construir neste projeto deverão possuir o valor de algumas centenas de reais. 2. Introdução A ciência conhecida como espectroscopia é um ramo da física que lida com o estudo da radiação absorvida, refletida, emitida ou espalhada por uma substância. Existem tantos tipos de espectroscopia como existem tipos de radiações. Do ponto de vista histórico, o início da espectroscopia data do século 17, quando Isaac Newton observou que a luz do Sol continha todo o espectro visível. O termo espectro foi empregado primeiramente por Newton nesta época (SOLÉ et al., 2005). No início do Século XIX, já se conhecia a existência da radiação infravermelha (IR) e ultravioleta (UV), de forma que o desenvolvimento de espectrômetros ópticos durante a primeira metade deste permitiu que numerosos espectros fossem registrados, tais como as cores de chamas e os espectros emitidos por gases submetidos a descargas elétricas. Estes conhecimentos permitiram o desenvolvimento da teoria atômica e o surgimento da mecânica quântica, a qual modificou os rumos da Física durante o Século XX.

4 FIGURA 1 Espectro eletromagnético com suas subdivisões (de acordo com comprimento de onda) em raios gama, raios-x, ultravioleta e luz visível (em destaque), infravermelho e ondas de rádio. FONTE: Harris, O espectro eletromagnético é tradicionalmente dividido em sete regiões espectrais: ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível e ultravioleta, raios-x e raios-γ (veja Figura 1). Todos esses tipos de radiação se propagam através do espaço como ondas eletromagnéticas transversais com velocidade c 2, m/s, no vácuo. Essas regiões espectrais se diferenciam entre si pela frequência, ou de forma equivalente, por seu comprimento de onda ( λ ) ou energia (E), o que leva a diferenças substanciais em sua geração, detecção e interação com a matéria. A espectroscopia óptica, a qual será estudada neste projeto, envolve fenômenos que estão relacionados com transições eletrônicas dos níveis de energia eletrônicos. Elétrons das camadas mais externas (elétrons de valência) dos átomos podem ser excitados com radiação apropriada, o que inclui raios ultravioletas (UV), radiação visível (VIS) ou mesmo radiação infravermelha (IR). Esta faixa de energia compreende comprimentos de onda de 200 nm até, aproximadamente, 3000 nm (SOLÉ et al., 2005).

5 Figura 2 Visão lateral de uma grade de difração. A separação entre as fendas é d e o caminho entre fendas adjacentes é dsen θ. FONTE: (HALLIDAY et al., 2009). Na espectroscopia, um dos elementos fundamentais é a grade de difração. Este elemento consiste em um grande número de fendas paralelas igualmente espaçadas. Uma grade de transmissão pode ser feita cortando linhas paralelas em uma placa de vidro. Já uma grade de reflexão pode ser feita cortando-se linhas paralelas na superfície de um material refletivo. Um CD, por exemplo, age como uma grade de reflexão, separando a luz em diferentes comprimentos de onda. Na Figura 2, a seção de uma grade de difração (de transmissão) é ilustrada. Uma onda plana incide sobre a grade pela esquerda e uma lente convergente leva os raios ao ponto P. O padrão observado na tela é o resultado de efeitos combinados de difração e interferência. Devido à difração, raios de luz paralelos percorrerão distancias diferentes até o ponto P. O triângulo na parte inferior da Figura 2 mostra que a diferença de caminho entre raios adjacentes é δ = dsenθ. Se esta diferença de caminho é igual a um múltiplo inteiro m do comprimento de onda da luz λ, os raios chegarão em fase no P e ocorrerá interferência construtiva. Assim, se dsen θ = mλ o ponto P será iluminado. No entanto, se esta diferença for igual a um múltiplo inteiro da metade do comprimento de onda, a interferência completamente destrutiva fará com que o ponto P fique escuro. Diferenças de caminho intermediárias terão iluminação também intermediárias (HALLIDAY et al., 2009). Grades de difração são importantes em espectroscopia porque conseguem separar a luz em diferentes comprimentos de onda, formando um espectro. Imagine, por exemplo, que luz branca, formada por radiações de diferentes comprimentos de onda λ, atinja uma grade de difração. Como

6 d é fixo, a equação dsen θ = mλ mostra que quanto maior λ, maior será o valor de θ, o que fará com que os raios difratados formem máximos de intensidade em pontos P cada vez mais acima na Figura 2. Assim, um espectro semelhante ao que é mostrado na ampliação da Figura 1 é projetado na tela. FIGURA 3 Representação esquemática de um espectrômetro mostrando seus elementos básicos: lâmpada (Lamp), monocromador (Monochromator), amostra (Sample) e detector (Detector). FONTE: (SOLÉ et al., 2005). A Figura 3 mostra um diagrama esquemático com os principais elementos de um espectrômetro simples utilizado para medidas de absorção óptica. Basicamente, um espectrômetro consiste nos seguintes elementos: (i) uma fonte de luz; (ii) um monocromador, o qual seleciona frequências únicas do espectro produzido pela lâmpada; (iii) um porta-amostras; (iv) um detector, responsável por medir a intensidade luminosa após a luz atravessar a amostra; e um computador para gravar e mostrar os dados coletados. O resultado deste processo é, na maioria dos casos, um gráfico mostrando a intensidade luminosa em função do comprimento de onda, ou frequência, ou energia. No espectrômetro com configuração descrita na Figura 3, a lâmpada emite luz branca (policromática) e o monocromador separa os comprimentos de onda formando um espectro luminoso, semelhante ao detalhe mostrado na Figura 1, referente ao espectro visível. Esta separação pode ser feita pela utilização de um prisma ou de uma grade de difração. Assim, garante-se que, a cada instante, somente luz de um determinado comprimento de onda λ conhecido (luz

7 monocromática) atinja a amostra. Para a configuração descrita na Figura 3, mede-se através do detector, qual a fração da intensidade luminosa foi absorvida pela amostra. Como resultado, obtêmse o que é conhecido como espectro de absorção, o qual é uma característica particular de um determinado material. No entanto, a configuração descrita acima não é única. É possível, por exemplo, que a amostra seja posicionada imediatamente após a fonte luminosa. Neste caso, a separação dos comprimentos de onda em um espectro poderia ser feita após a luz atravessar a amostra. Assim, uma comparação entre o espectro obtido com e sem a amostra produziria um espectro de absorção. Também é possível investigar a luz refletida por um material e, neste caso, produzir um espectro de reflexão. Por outro lado, também existe interesse no estudo de espectros de emissão de fontes luminosas. Neste caso, não se utiliza uma amostra ou porta-amostra, somente monocromador e detector para produzir gráfico da intensidade luminosa em função do comprimento de onda da luz emitida. Estas diferentes formas de se obter espectros serão estudadas neste projeto. FIGURA 4 Placa de interface Arduino. FONTE: (MCROBERTS, 2011). Para a confecção de um dos modelos de espectrômetro de baixo custo utilizaremos a plataforma Arduino. As placas de interface de Arduino propiciam uma tecnologia de barata e de fácil utilização nos mais diversos tipos de projetos. O Arduino nada mais é do que uma pequena placa de microcontrolador (Figura 4). Além disso, a placa Arduino possui diversos pinos que permitem sua conexão com circuitos eletrônicos externos, como motores, relés, sensores luminosos, diodos laser, alto-falantes, microfones, etc (MONK, 2014). O Arduino é o que se chama de plataforma de computação física ou embarcada, ou seja, um sistema que pode interagir com seu ambiente por meio de hardware e software. O Arduino pode ser utilizado de forma independente ou

8 conectado a um computador, podendo até mesmo atuar via internet, enviando dados que podem, por exemplo, ser exibidos em forma de gráfico. Para programar o Arduino utiliza-se um software livre baseado na linguagem C. Tanto o software quando o hardware da plataforma são de fonte aberta (MCROBERTS, 2011). 3. Objetivo geral Fabricar espectrômetros didáticos de baixo custo para estudo de emissões espectrais de objetos luminosos ou espectros de absorção de substâncias. 4. Objetivos específicos Estudar a importância da espectroscopia nas ciências da natureza; Conhecer as propriedades ondulatórias da radiação eletromagnética; Desenvolver dispositivos multiuso com foco didático; Comparar a relação custo-benefício para diferentes tipos de dispositivos; Avaliar os diferentes tipos de grades de difração; Pesquisar os sensores luminosos mais adequados; Estudar espectros de emissão de diferentes tipos de fontes luminosas; Desenvolver geometria mais eficiente para obtenção de maior intensidade luminosa; Produzir dispositivo móvel para a obtenção e conversão de luz em sinais elétricos; Criar circuitos elétricos adequados; Aplicar a tecnologia do Arduino no comando do dispositivo e obtenção de sinais; Comparar qualidade de espectrômetros produzidos com sistema de detecção baseado em câmeras digitais (webcam) e em fotodiodos ou LDR; Desenvolver formas de calibração do espectrômetro; Comparar resultados obtidos com aqueles disponíveis na literatura; Aplicar o espectrômetro em atividades didáticas relacionadas com a natureza das radiações; Avaliar o aprendizado de estudantes submetidos a atividades didáticas utilizando o espectrômetro;

9 Participar de eventos científicos relacionados com ensino de Física e ensino de Automação. Publicar artigo científico com os resultados alcançados na pesquisa; Contribuir para a integração dos cursos de Licenciatura em Física e Tecnologia em Automação Industrial 5. Materiais e métodos Materiais necessários para a montagem dos espectrômetros: - Caixas de MDF; - Grade de difração ou CD/DVD; - Motor de passo; - Barras em aço cilíndricas com diâmetro médio de 5 mm; - Parafusos; - Lentes convergentes; - Espelhos côncavos; - Lasers (pointers) verde e vermelho para calibração; - Lâmpadas de diferentes tipos: incandescente, LED, fluorescente, etc. - Fotorresistor LDR, fotodiodo de silício; -Webcam; - Software Theremino Spectrometer, (2017); - Cabos e interruptores; - Arduino; - Placa protoboard; - Computador; - Materiais e equipamentos para solda; Inicialmente será feito um levantamento bibliográfico para determinar quais os tipos de espectrômetros de baixo custo são mais comumente produzidos. Após esta pesquisa inicial, serão realizados estudos bibliográficos e experimentais sobre quais as configurações de montagens produzem melhores resultados em termos de sinal medido, resolução, custo e abrangência de aplicações. Testaremos basicamente dois tipos de sistemas para detecção: um mais complexo, baseado no movimento de um sensor (LDR ou fotodiodo de silício) através da utilização de motor de passo controlado por Arduino e outro com base na utilização de câmera digital (Webcam) e

10 software livre especializado (Theremino Spectrometer). Para este último, o maior desafio se encontra na calibração do espectro com base em radiações de comprimento de onda conhecidos. Após a determinação das melhores configurações, montaremos os dois dispositivos, cada um baseado em um sistema de detecção. Durante a montagem serão testados também quais os tipos de fendas (fenda única, CD/DVD, grade de difração comercial de 1000 fendas/mm) possuem melhor custo-benefício. Além disso, serão investigadas as curvas de resposta dos sensores em relação ao espectro eletromagnético, bem como os espectros de emissão de fontes luminosas brancas. Após a montagem dos dois tipos de espectrômetros, serão feitos estudos comparativos sobre quais modelos (espectrômetro com Arduino e espectrômetro com webcam) produzem os melhores resultados experimentais considerando os diferentes tipos de aplicações. Com intuito de propiciar o uso didático dos dispositivos, é parte integrante do trabalho pesquisar quais materiais produzem os espectros de absorção com características mais favoráveis (intensidade de sinal, separação das linhas de absorção, etc.) à aplicação em sala de aula. No final deste processo, aplicações didáticas para os espectrômetros de baixo custo serão produzidas e seus resultados em termos de geração e transmissão de conhecimento serão avaliados.

11 6. Cronograma de execução do projeto Meses Atividades Revisão bibliográfica x x x x x x x x x x x x Adquirir materiais x x x Definir e montar da base para espectrômetro x x Testar tipos de grades de difração x x Testar tipos de sensores luminosos x Montagem do sistema mecânico para controle e aquisição de dados. x x x x Programação do sistema de controle e obtenção de dados x x x x Calibração do espectrômetro x x Elaborar roteiro para aplicação didática do x x x espectrômetro Aplicação do espectrômetro em atividades didáticas x Avaliar os resultados da aplicação didática do espectrômetro x x Participação em congressos científicos x x x Redigir artigo científico x x x Redigir relatório x x 7. Plano de trabalho dos estudantes Caberá aos estudantes de Licenciatura em Física a revisão bibliográfica sobre os aspectos básicos de óptica e espectroscopia, a execução de parte da montagem dos espectrômetros, a calibração dos dispositivos, a elaboração de proposta didática para aplicação dos espectrômetros, a elaboração de resumos e a participação em congressos científicos relacionados à área de ensino de física. O estudante Tecnologia em Automação Industrial ficará responsável pela implementação da tecnologia Arduino para controle e aquisição de dados para um dos tipos de espectrômetros.

12 8. Resultados esperados Espera-se construir dois modelos de espectrômetros didáticos: um baseado em tecnologia Arduino e outro com detecção por meio de wabcan e software especializado. Deseja-se obter configurações de espectrômetros didáticos que sejam funcionais, de construção fácil e barata, de modo a permitir que professores de ensino médio repliquem as ideias desenvolvidas em projetos onde a espectroscopia tenha foco principal. Pretende-se incentivar o aprendizado de temas relacionados à óptica e à física moderna por parte dos alunos de graduação e também entre os estudantes da educação básica. Espera-se também que os alunos envolvidos no projeto sejam instigados a solucionar problemas práticos através de ferramentas e conceitos relacionados à Física e à Automação, além de pensarem em estratégias para tornar o aprendizado das ciências exatas mais prático, aplicado e prazeroso. Além disso, a execução do projeto deve propiciar a integração entre alunos de Licenciatura em Física e de Tecnologia em Automação Industrial, bem como inserilos em atividades de pesquisa e capacitá-los para participação em eventos científicos relacionados ao ensino de Física e Automação. 9. Referências HALLIDAY, D. et al. Fundamentos de Física: Óptica e Física Moderna. v. 4, 8 ed. Rio de Janeiro: LTC, p. MOREIRA, A.F. et al. Construção e caracterização de um fotômetro destinado ao uso de aulas experimentais de química sobre a Lei de Beer-Lambert, Holos, v. 2, p , Disponível em < MONK, S. 30 projetos com Arduino. Brasil: 2ed, Bookman, p. MCROBERTS, M. Arduino Básico. Brasil: Novatec, 2011, 453p. SOLÉ, J. G. et al. An introduction to Optical Spectroscopy of Inorganic Solids, West Sussex: John Wiley & Sons, p. THEREMINO SPECTROMETER. Disponível em: < Acesso em: 27 de mar THOR LABS. Disponível em: < Lswodjo4K4g >. Acesso em: 26 de mar